Schaltungstechnik

13 Operationsverstärker

Input offset current and noise

Prof. Dr. Jörg Vollrath

12 Operationsverstärker

Elektronik 3 Operationsverstärker

Video der 14. Vorlesung 4.5.2021

Länge: 1:02:43

0:1:45 Operationsverstärker, Analog Devices, Parametric search

0:5:24 Operationsverstärker Digikey

0:8:55 Input bias and offset current

0:10:25 Rechnung

0:14:58 3 Gleichungen

0:24:4 Ergebnis

0:26:4 3.32 Input bias offset current

0:27:35 3.32 Test circuit input bias

0:29:47 LTSPICE simulation

0:33:9 Datenblatt

0:35:39 3.33 Bipolar input

0:37:38 Bias current MOSFET input Diodes

0:38:39 Temperaturabhängigkeit

0:42:41 Hausaufgabe ioffset und Ausgangsspannung

0:45:59 Rauschen

0:47:57 thermisches Rauschen

0:50:19 Widerstandsrauschen

0:52:22 Bandbreite

0:56:47 Effektivwerte = Wurzel aus der Summe der Quadrate

1:0:25 3.38 Noise sources in an inverting amplifier

1:1:54 Widerstandsrauschen

1:2:58 LTSPICE Rauschsimulation

1:6:24 Diodenrauschen

1:9:11 3.39 Opamp noise sources

1:12:15 3.41 Example error budget

1:16:55 LSBrel, ppm, Zusatzübung

Rückblick und Übersicht

Übertragungsfunktion mit Fehler
Invertierend U3.20, nichtinvertierend U3.22
Data sheet DC imperfections U3.24
Input offset voltage, temperature, test circuit

Heute

Input offset current
Noise

Übersicht

3.31 Input bias current
3.32a Input bias offset current
3.32b Test Circuit for Input bias offset current

opAmpIBDCTL071.asc

Version 4
SHEET 1 1124 680
WIRE 112 320 96 320
WIRE 288 320 192 320
WIRE 208 400 208 384
WIRE -32 416 -64 416
WIRE 64 416 48 416
WIRE 96 416 96 320
WIRE 96 416 64 416
WIRE 176 416 96 416
WIRE 288 432 288 320
WIRE 288 432 240 432
WIRE 320 432 288 432
WIRE -64 448 -64 416
WIRE 176 448 96 448
WIRE 208 480 208 464
WIRE 96 496 96 448
WIRE 96 592 96 576
FLAG 208 384 VDD
FLAG 208 480 VSS
FLAG 320 432 Vo1
FLAG -64 448 0
FLAG 96 592 0
FLAG 64 416 Vx
SYMBOL res 208 304 R90
WINDOW 0 0 56 VBottom 2
WINDOW 3 32 56 VTop 2
SYMATTR InstName R2
SYMATTR Value 100k
SYMBOL res 64 400 R90
WINDOW 0 0 56 VBottom 2
WINDOW 3 35 50 VTop 2
SYMATTR InstName R1
SYMATTR Value 100k
SYMBOL TL071 208 368 R0
SYMATTR InstName X2
SYMBOL res 80 480 R0
SYMATTR InstName R3
SYMATTR Value 50k
TEXT -96 256 Left 2 !VDD VDD 0 DC 5\nVSS VSS 0 DC -5
TEXT 200 288 Left 2 !;ac dec 10 0.1 0.1G
TEXT 192 256 Left 2 !.tran 10m
TEXT 192 224 Left 2 !*.TEMP -10 25 80 90
TEXT -96 224 Left 2 !.options temp = 25
TEXT 128 392 Left 2 ;IB-
TEXT 136 480 Left 2 ;IB+
TEXT 168 552 Left 2 ;R3 = R1 || R2
LINE Normal 128 416 112 400
LINE Normal 112 432 128 416
LINE Normal 144 448 128 432
LINE Normal 128 464 144 448

3.31
(1) Vx = - IB+ * R3
(2) (Vo - Vx) = R2 * I
(3) Vx = R1 * (I - IB-)
Eliminate Vx
(1) in (2) und (3)
(21) Vo + IB+ * R3 = R2 * I
(31) -IB+ * R3 = R1 * ( I - IB-)
Eliminate I:
(21) in (31)
(32) -IB+ * R3 + IB- * R1 = R1/R2 * (Vo + IB+ * R3)
(33) Vo + IB+ * R3 = R2/R1 ( IB- * R1 - IB+ * R3)
(34) Vo = IB- * R2 - IB+ * R3 (R2 / R1 + 1)
mit R3 = R1*R2/(R1+R2)
(34) Vo = IB- * R2 - IB+ * R1 * R2 /(R1+R2) * (R2 + R1)/ R1
(4) Vo = R2 (IB- - IB+)
(15 min)

TI Precision Labs, Ian Williams TIPL 1100
R3 can be a noise source.

Generelles Vorgehen:
Einzeichnen der Quellen: Entweder VOS oder IB+ und IB-.
Analyse der Schaltung und Berechnung der Ausgangsspannung.

Test circuit IB+, IB-, TL071 Simulation

opAmpIBTL071.asc

Version 4
SHEET 1 1124 680
WIRE 368 160 160 160
WIRE 800 192 720 192
WIRE 928 192 864 192
WIRE 160 208 160 160
WIRE 240 208 160 208
WIRE 368 208 368 160
WIRE 368 208 304 208
WIRE 720 304 720 192
WIRE 800 304 720 304
WIRE 928 304 928 192
WIRE 928 304 880 304
WIRE 160 320 160 208
WIRE 240 320 160 320
WIRE 368 320 368 208
WIRE 368 320 320 320
WIRE 704 384 576 384
WIRE 768 384 768 368
WIRE 208 400 208 384
WIRE 720 400 720 304
WIRE 736 400 720 400
WIRE 160 416 160 320
WIRE 176 416 160 416
WIRE 928 416 928 304
WIRE 928 416 800 416
WIRE 960 416 928 416
WIRE 368 432 368 320
WIRE 368 432 240 432
WIRE 400 432 368 432
WIRE 576 432 576 384
WIRE 576 432 544 432
WIRE 608 432 576 432
WIRE 704 432 704 384
WIRE 704 432 688 432
WIRE 736 432 704 432
WIRE 16 448 -16 448
WIRE 48 448 16 448
WIRE 144 448 128 448
WIRE 176 448 144 448
WIRE 768 464 768 448
WIRE 208 480 208 464
WIRE 576 528 576 432
WIRE 608 528 576 528
WIRE 704 528 704 432
WIRE 704 528 672 528
WIRE 16 544 16 448
WIRE 48 544 16 544
WIRE 144 544 144 448
WIRE 144 544 112 544
FLAG 208 384 VDD
FLAG 208 480 VSS
FLAG 400 432 Vo1
FLAG -16 448 Vref
FLAG 768 368 VDD
FLAG 768 464 VSS
FLAG 960 416 Vo2
FLAG 544 432 Vref
SYMBOL res 336 304 R90
WINDOW 0 0 56 VBottom 2
WINDOW 3 32 56 VTop 2
SYMATTR InstName R1
SYMATTR Value 10Meg
SYMBOL res 144 432 R90
WINDOW 0 0 56 VBottom 2
WINDOW 3 32 56 VTop 2
SYMATTR InstName R2
SYMATTR Value 10Meg
SYMBOL TL071 208 368 R0
SYMATTR InstName X2
SYMBOL cap 304 192 R90
WINDOW 0 0 32 VBottom 2
WINDOW 3 32 32 VTop 2
SYMATTR InstName C1
SYMATTR Value 1n
SYMBOL cap 112 528 R90
WINDOW 0 0 32 VBottom 2
WINDOW 3 32 32 VTop 2
SYMATTR InstName C2
SYMATTR Value 1n
SYMBOL res 896 288 R90
WINDOW 0 0 56 VBottom 2
WINDOW 3 32 56 VTop 2
SYMATTR InstName R3
SYMATTR Value 10Meg
SYMBOL res 704 416 R90
WINDOW 0 0 56 VBottom 2
WINDOW 3 32 56 VTop 2
SYMATTR InstName R4
SYMATTR Value 10Meg
SYMBOL TL071 768 352 R0
SYMATTR InstName X1
SYMBOL cap 864 176 R90
WINDOW 0 0 32 VBottom 2
WINDOW 3 32 32 VTop 2
SYMATTR InstName C3
SYMATTR Value 1n
SYMBOL cap 672 512 R90
WINDOW 0 0 32 VBottom 2
WINDOW 3 32 32 VTop 2
SYMATTR InstName C4
SYMATTR Value 1n
TEXT -80 160 Left 2 !VREF VREF 0 DC 0 AC 1\nVDD VDD 0 DC 5\nVSS VSS 0 DC -5
TEXT 176 72 Left 2 !;ac dec 10 0.1 0.1G
TEXT 200 112 Left 2 !.tran 10m
TEXT -88 112 Left 2 !*.TEMP -10 25 80 90
TEXT -80 72 Left 2 !.options temp = 25
TEXT 264 520 Left 2 ;IB+
TEXT 832 488 Left 2 ;IB-

Links:

$I_P = \frac{V_{out}-V_{ref}}{10 M\Omega }$
Rechts:

$I_N = \frac{V_{out}-V_{ref}}{10 M\Omega }$

Simulation:
IB+ = 280 uV/1E7 = 28 pA
IB- = -260 uV/1E7 = -26 pA
Data sheet
Input bias current data sheet: +-1pA .. 120 pA
Input offset current data sheet: +-0.5pA .. 120 pA

LTSPICE direkte Strommessung IB+ und IB- bestätigt die Ströme.

Input current

3.33 Bipolar input offset current larger (20..80 nA) than FET (120 pA)
3.34 Bipolar input bias current larger (0.5 nA) than FET (10..50 pA)
3.35 IB over temperature
3.36 IB calculation
3.37 Range of IB
Analog Devices Opamp parametric search
Texas Instruments
Maxim
Digikey
Mouser

3.35 Die Stromänderung zwischen -50 und 75° ist beim rechten Opamp kleiner.
3.36 Calibration or differential measurement

3.38 Noise model AD745

Externe ohmsche Widerstände
Eingangsspannungsrauschen
Eingangsstromrauschen

Rauschspannungsdichte:

$e_{noise} = \sqrt{4 k T R}$
k: Boltzmann Konstante
T: absolute Temperatur
R: Widerstand
Einheit:

$\frac{V}{\sqrt{Hz}}$

$U_{rms} = \sqrt{e_{noise}^2 \cdot df}$

$df = \frac{\pi}{2} f_{3dB}$

Elektronik 3 24 Rauschen

Errors

3.39 OpAmp noise AD745
3.40 Input referred, output referred

OpAmp OP177 DC Error Budget

Übung Moodle: E401_STE_Uebung_V2_(ohne_Erg).pdf

1 µ = 1 · 10^-6 = 1 ppm

$E_{Vos} = \frac{10 \mu V}{100 mV} = 1 \cdot^10^{-4} = 100 ppm$

I_OS = I_B- - I_B+

Bits:
ld(130ppm) = log₂(130 · 10^-6) = log(130 · 10^-6)/log(2) = -12.9

Wieviel LSB relative benötigt ein 10 Bit Wandler?
Wieviel LSB relative benötigt ein 15 Bit Wandler?

3.42 OpAmp Circuits

U/U - Invertierend
I-U Verstärker
Summierverstärker
Subtrahierer
Elektrometerverstärker
Spannungsfolger
Integrierer
Schmitt-Trigger

Zusammenfassung und nächste Vorlesung

Input offset voltage
Noise

Nächstes Mal

14 U3.2 Schaltungsanalyse Colorimeter

2021 Schaltungstechnik 13 Operationsverstärker Prof. Dr. Joerg Vollrath